Безмазутные технологии на ТЭС экономят миллиарды
Пылеугольное топливо для получения тепловой и электрической энергии используется уже более полувека. Но для его воспламенения и дальнейшего сжигания в определенном режиме необходимо довести температуру котла до нужного уровня. До недавнего времени это достигалось при помощи дорогостоящего и вредного для окружающей среды топочного мазута. Сегодня в развитых странах применяются современные плазменно-топливные технологии. Такие системы разрабатывают и пытаются внедрять специалисты Института теплофизики им. С. С. Кутателадзе Сибирского отделения РАН.
Расход мазута на российских теплоэлектростанциях составляет около 1 млн тонн в год стоимостью более $2,5 млрд. Если оценивать расходы на собственные нужды энергообеспечения ТЭС, то затраты на мазутное хозяйство составляют примерно 5%, на плазменные технологии — от 0,5 до 1%, то есть почти на порядок меньше. Для сокращения затрат на топливную составляющую при производстве электроэнергии на ТЭС России специалисты предложили отказаться от дорогостоящего мазута при растопке котлов и перейти на использование угольной пыли, которую можно воспламенить с применением плазменной безмазутной технологии.
Данная технология основана на термохимической подготовке к сжиганию пылеугольного топлива с помощью электрической дуги плазмотрона. Через электрическую дугу продувается под давлением поток воздуха, образующий плазму. Взаимодействуя с потоком аэросмеси, он нагревает его, способствуя выделению летучих веществ и последующему воспламенению угольной пыли. Первые опыты по внедрению такой системы были проведены еще в 1994 году на Гусиноозерской ГРЭС.
Китайские пророки в нашем отечестве
В России и на постсоветском пространстве плазмотроны постоянного тока и высокой мощности не получили распространения в энергетическом секторе в связи с их высокой стоимостью и большим сроком окупаемости. Технология плазменного воспламенения начала активно развиваться уже после приватизации предприятий энергетического сектора. Инновации в энергетику предполагают срок окупаемости от 5 до 10 лет, что совершенно не подходит для большинства частных инвесторов в России и во многих других странах. Однако в Китае технология плазменного воспламенения угля используется на 45% пылеугольных ТЭС. Первые испытания плазменной безмазутной растопки котла в Китае в 1995 году были проведены главным научным сотрудником КазНИИ энергетики Владимиром Мессерле.
Фактически технология была скопирована и освоена энергетиками Китая методами так называемого обратного инжиниринга. Этими словами описывается закупка готовой установки в качестве образца, после чего она полностью разбирается, изучается, патентуется заново и налаживается ее производство. Российские физики смеются, что у нас в стране прародители этого метода отлично понимают все нюансы плазменной технологии воспламенения и сжигания угля, но в энергетический сектор промышленности за 20 лет она так и не попала. А в Китае никто не интересуется научными основами функционирования таких систем, зато они оснастили плазменнотопливными системами практически полстраны. Более того, в начале 2000-х китайские производители плазмотронов уже под своими патентами поставляли эти системы в Россию, Корею, Индонезию и другие страны.
В Сибири вместо факельного сжигания в мощных плазмотронах сегодня активно развивается ее мини-аналог — силовая электроника небольшой мощности, которая в десять раз доступнее по цене и проще в обслуживании. Дорогостоящим инновациям на своих предприятиях собственники предпочли небольшие плазменные горелки переменного тока мощностью всего 10–20 кВт. Сотрудники высокотехнологичной компании КОТЭС не изобретали колесо, а решили, что маленькая плазменная дуга, как у сварочного аппарата,— отличная зажигалка для угольного топлива. Специалисты, которые работали с плазмотронами постоянного тока, так и называют эти устройства «зажигалками».
Принципиальное строение плазмотрона настолько простое, что сам по себе как сердце технологии он даже не подлежит патентованию, поскольку представляет собой два электрода с переменным напряжением, между которыми периодически возбуждается электрический разряд. Однако в плазменной горелке в комплексе со всем остальным оборудованием он может быть представлен в принципиально разных схемах, которые являются решающими для успеха технологии эффективной безмазутной растопки котлов. Здесь уже играет роль и автоматика, и аэродинамика процесса, и теплообмен в вихревых потоках угольной пыли — все эти исследования ученые Института теплофизики произвели на специально созданном экспериментальном стенде. Первую плазменную горелку специалисты готовили для ТЭЦ-10 в Ангарске по заказу «Сибтехэнерго». Она была опытным образцом и заменяла лишь одну из десяти мазутных форсунок.